1、鄭州大學現代遠程教育畢 業 設 計題 目： 機床數控改造機械系統設計入 學 年 月_2015年春_姓 名_陳謙_學 號專 業_機電一體化_聯 系 方 式學 習 中 心_石家莊_指 導 教 師_ _完成時間_2017_年_2_月_18_日機床數控改造機械系統設計摘要1952年，美國帕森斯公司試驗成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標數控機床，這標記著制造領域中數控時代的開始。21世紀后，新型數控機床慢慢替代了普通機床，因其具有提高生產率,減低生產成本和增加收益等方面的優異性。隨著科學技術的發展，數控機床被廣泛應用于機械制造業。因為它具有加

2、工靈活,通用性強的特點，能適應產品的品種和規格頻繁變化，能夠滿足新產品的開發和多品種，小批發，自動生產化的要求，并且數控機床與普通機床相比，在提到生產率，降低工人生產強度，減低生產成本和增加效益方面都有著很大的優越性。 本論文以數控改造方法和單片機系統設計來完成對普通機床的改造，來提高加工精度和增加機床使用范圍，提高生產力。介紹了普通機床機械部分的改造的設計和數控系統部分的設計。以8031芯片對系統信息進行處理，用步進電動機為驅動電路關鍵詞: 數控機床 改造設計 目錄摘要.3關鍵詞.3第一章: 概述.5第二章: 方案的設計.6 2.1 數控機床的選擇.6 2.2 進主軸電機.6 2.3 刀架部

3、分的改造.6.7 2.4 機床的導軌.7 2.5方案的確定.7第三章: 數控機床硬件的設計.8 3.1 數控機床硬件的組成.8 3.2 數控機床硬件的作用及設計.8.9總結.10感謝語.10參考文獻.10.11第一章:概述 機床作為機械制造業的重要基礎設備，它的發展一直引起人們的關注，由于計算機技術的應用促使機床的控制信息出現了質的飛躍，是應用數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床數控機床的誕生和發展。數控機床以其優異的性能和精度.靈敏而多樣性的功能引起人們的矚目，開創了機械產品向機電一體化發展的先河。 數控機床是以數字化的信息實現機床控制的產品，它是吧刀具和工件之間的相對置，機床電機的啟動

4、和靜止，主軸變速，工作松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數字記錄在控制介質上，然后將數字信息送進數控裝置或計算機，經過譯碼，運算打出各種指令控制機床伺服系統或其他元件，加工出現所需元件。 當前，世界先進制造技術不斷地興起，超高速線切、超精密加工等技術的應用，柔性制造系統的迅速發展和計算機集成系統的不斷成熟，對數控加工技術提出了更高的要求，當今數控機床正朝一下幾個方向發展。 （1）高速、高精密化 高速、精密是機床發展的永恒目標。隨著科學技術突飛猛進的發展，機電產品更新換代的速度加快，對零件加工的精度和表面質量的要求也越發高了。為了滿足這個復雜多變的市場需求，

5、當前機床正向高速切削、干切削和準干切削方向發展。加工精度也在不斷地提高。另一方面。電主軸和直線電機的成功應用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導成空心內冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副和帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市，也為機床向高速、精密的發展創造的條件。 （2）高可靠性 數控機床的可靠性是數控機床產品的一項關鍵性指標。數控機床能否發揮其高性能、高效率和高精度，并獲得良好的效益，關鍵取決于其性能的高低。 (3)數控車床設計CAD化 隨著計算機應用的普及和軟件技術的發展，CAD技術能到了廣泛的發展。CAD不僅可以代替人工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以進行設計方案選擇和大件整機的靜、動

6、態特性分析、計算、預測及優化設計，可以對整機各工作部件進行動態模擬仿真。在模塊化的基礎上在設計階段就可以看出產品的三維幾何模型和逼真的色彩。采用CAD技術還可以大大的提高工作效率，提高設計的一次性成功率，從而縮短試制周期，減低設計成本，提高市場的競爭能力。 （4）功能復合化功能復合化的目的是進一步提高機床的生產效率，使用于非加工輔助時間減到最少。通過功能的復合化，可以擴大機床的使用范圍、提高效率，實現一機多用、一機多能，即一臺數控機床既可以實現車削功能，也可以實現銑削加工；或在以銑為主的機床上也可以實現磨銷加工。寶雞機床廠已經研制成功的CX25Y數控車銑復合中心，該車床同時具有X、Z軸以及C軸

7、和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實現平面銑削和偏孔、槽的加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸采用內藏式電主軸結構，通過數控系統可以直接實現主、副主軸轉速同步。該機床工作一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了生產的效率。（5）智能化21世紀的數控具有了一定智能化的系統。智能化的內容包括在數控系統的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數自動生成。為提高驅動性能及使用鏈接方面的智能化，如電機參數自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、自動化的人機界面等；還有智能診斷、智能監控等方面的內容，以方

8、便系統的診斷和維修等。 進了21世紀后，我國成為了一個機床大國，但機床的性能落后等問題阻礙我國成為一個機械強國，然企業要在激烈的市場競爭中獲得生存求得發展，就必須以其優異的質量，低廉的成本，制造出合乎市場需要的性能適合的產品，而這些需要普通機床已無法達到。所以采用先進的數控機床已成為我國制造技術發展的總趨勢。 對于大量需要更新的普通機床，很多企業無法拿出巨大的資金，但企業卻存在數量眾多的，具有較長壽命的普通機床，由于普通機床的加工精度較低，不能批量生產，自動化程度不高，所以把普通機床改裝成數控機床成為了很多企業對現有設備改造替代的首要方法，才能使企業具備足夠的競爭力，才能是我國立足世界制造業。

9、第二章：方案的設計 2.1 數控機床的選擇 (1) 數控機床的伺服系統分為開環控制系統，中開環控制系統，閉環控制系統。因為開環控制系統結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本較低易改裝成功，所以本設計選用開環控制系統。 （2）普通機床由軟件、硬件和機械部分組成，而硬性是數控系統的基礎，其性能的好壞，決定了數控系統的工作性能。在我改造機床適用普遍的為Z80CPU和MCS-51系列的單片機，因其便宜、普及性強，滿足經濟型數控機床所需。其中8031芯片適用于擴展ROM，可現場維修和更新程序存貯器的應用場合，且及格便宜適用方便，所以本設計選用以MCS-51系列單片機以8031芯片為核心。 （3）步進電機

10、是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。電脈沖信號的產生、分配、放大靠電子元氣的動作來完成，因此其控制信號的能力較差，故選用功率較大的驅動電路。根據我國的步進電動機型號選擇，我們選用了55BF003型步進電動機，其參考數據如下表： 相數 步距角 電壓 相電流 3 1.5 3A 0.67N.m 空載啟動頻率 空載運行頻率 分配方式 外形尺寸 1800 12000 三相六拍 55x70x6 步進電動機的基本參數2.2 改進主軸電機 脈沖編碼器又稱為脈沖發生器。它是能夠把機械轉角變成為電沖脈，是數控機床使用廣泛的位置控制裝置。脈沖發生器的特點有1、是非接觸性的控制方式，無摩擦和磨損，驅動力

11、小2、由于光電交換器性能的提高，可以有較快的響應速度3、由于照像腐蝕技術的提高可以制造高分辨率，高精度的的光電盤母盤制作后，復制方便且成本較低。2.3 刀架部分的改造目前的數控車床的刀架基本是電動刀架，其特點是定位更準確、迅速。老式傳統車床刀架多為手動、液壓驅動或者少部分的電動，改造是可以根據需求對其進行更換。 電動刀架可分為臥式轉塔刀架和立式電動刀架，立式電動刀架有四工位，其中每一種刀架又有抬刀刀架和和免抬刀刀架之分。臥式轉塔刀架相對而言價格更高，改造中常用立式電動刀架。 2.4 機床的導軌 普通車床導軌大多數采用的是滑動導軌，其動、靜摩擦系數較大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機

12、床的傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數控化改造的同時必須針對機床導軌狀況進行必要的檢修處理，對于磨損很嚴重的更要進行大修，即進行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保持其精度。 2.5 方案的確定 經過分析，本次選用CA6140車床經濟型數控。由8031芯片組成的微機作為數控裝置的核心，用單片機來控制步進電動機，實現軟件和硬件相結合的控制方法。安裝個主軸脈沖發生器靠其同步齒形帶使脈沖發生器同步旋轉，發出信號。第三章：數控機床的硬件電路設計3.1 數控機床硬件的組成 （1） 主控制器 即CPU （2） 總線 包括數據總線、地址總線和控制總線 （3） 存儲器 包括

13、程序存儲器和數據存儲器 （4） 接口 即I/O（輸入/輸出）接口 （5） 外圍設備 如鍵盤、顯示器等3.2 數控機床硬件的作用及設計 CPU我們采用了8031芯片，由于8031無片內程序存儲器，需要擴展外部程序存儲器，同時8031芯片內部只有128字節RAM的數據存儲器，也不能夠滿足控制系統的要求，所以我們要應該對數據存儲器和程序存儲器進行擴展。 在選擇程序存儲器時，有3種選擇，掩膜ROM、可編程ROM、紫外線可擦除ROM。現在大多數選用的是紫外線可擦除ROM，同時要考慮CPU和ROM之間時序的匹配，應考慮最大讀出速度、工作溫度和存儲器容量等問題。根據設計需求，需外擴32K的程序存儲器，所以選

14、擇27256芯片。 常用的數據存儲器有靜態RAM和動態RAM兩種。然動態RAM價格便宜、容量大和功率低等優點，但同時其電路設計較為復雜，容易受到干擾，對外界的環境、工藝結構和電源質量要求都較高與靜態RAM比明顯存在不足，所以控制系統選用靜態RAM。在8031芯片中，較為常用的是6116和6264兩種。根據設計需求，需要外擴8K的數據存儲器，所以選擇6264芯片。8031單片機有P0、P1、P2、P34個八位口，32根I/O線。當系統擴展存儲器時，P0口用來輸出低8位并行數據，P1口作為輸入使用進行功能鍵的控制，如X軸、Z軸的啟動、停止等，P2口用來輸出高8位地址，P3口作為一個8位準雙向并行口

15、。8155作為單片機應用系統常用的課編程的I/O接口得到廣泛使用。對于單片機系統來說，使用8155作為鍵盤的接口，無需再專門增加芯片，所以選用8155.8255A是一種有通用的可編程并行接口電路，在單片機系統中被廣泛用作可編程外部I/O擴展接口。同時它與8031單片機連接方式簡單，所以選用8255擴展輸出輸入信號接口。總線是連接系統中各擴展部件的一組工作信號線。可把其分為地址總線、數據總線和控制總線。地址總線為16位，由P0口經地址鎖存器提供16位地址總線的低8位地址。數據總線為8位，由P0提供。控制總線由P3口和4根獨立的控制線RST、EA、ALE和PSEN組成。 總結 經過一段時間的努力，

16、本設計論文已經基本完成，但由于本人水平有限知道設計當中還存在很多不足的地方，希望老師給予批評和指導，由衷感謝。 通過這次的設計，綜合運用了機械課程設計和其他課程地理論和實際知識，掌握了機械設計的一般能力，樹立了正確的設計思路，培養了分析和解決問題的能力，使我對知識有了一個更大的了解；還有對設計工作的基礎技能的訓練，提高了分析和解決工程技術問題的能力，并為進行一般的機械設計創造力一定的條件。 在設計當中也遇見過各種困難，但老師的幫助使我最終克服了它。同時提升了自身收集、閱讀、分析和運用材料的能力，讓我運用WORD的能力也有所提高和熟練，可以說是個不小的收獲。 本次設計是對我以后工作的一個重要的影響，讓我明白了探索知道過程的不易和成功后的喜悅，打下了一個良好的基礎。感謝 本次論文能夠完成，離不開老師的幫助和指導。沒有他們的幫助是無法完成的。在學習的過程中，老師無微不至的關懷和精心指導，深深的感動著我，給了我很大的啟迪和幫助。在此向老師表達深深地感謝和崇高的敬意。 參考文獻 （1）王瑞孝，秦現生.機床數控原理與系統.西安：西北工業大學出版社，2000 （2）廖效果，朱啟逑.數字控制機床.武漢:華中理工大學出版社，1992 （3）顧京，數控加工